(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体供給源より供給された加圧気体を多孔質体を透過させて噴出し、噴出した気体により形成される気体膜によって回転軸を回転支持する静圧気体軸受において、
前記多孔質体の一断面における内径形状に内外接する２つの同心円の中心を中心とする基準円の半径と、前記内径形状との差分を求め、前記差分に基づいて、前記多孔質体の周方向における前記多孔質体から噴出される気体の流量を前記多孔質体の周方向に変化させることを特徴とする静圧気体軸受。
【請求項２】
前記多孔質体から噴出される気体の流量は、前記多孔質体に施された目止めを変化させることを特徴とする請求項１記載の静圧気体軸受。
【請求項３】
前記多孔質体から噴出される気体の流量は、前記多孔質体へ前記加圧気体を供給するための複数の気体流路からの供給圧力を変化させることを特徴とする請求項１記載の静圧気体軸受。
【請求項４】
前記基準円の半径と、前記内径形状との差分は、前記基準円の半径の方が前記内径形状より大きい場合は流量が減少するように前記気体の流量を調整することを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項記載の静圧気体軸受。
【請求項５】
前記内径形状に内外接する２つの同心円は、前記内径形状に内外接する同心円のうち外接する最小径と内接する最大径の円であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項記載の静圧気体軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密加工機の主軸に代表される回転軸の回転精度を向上させる静圧気体軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密加工機の主軸には高い回転精度が求められており、回転軸を非接触に回転支持する静圧気体軸受が一般的に用いられている。通常静圧気体軸受は、軸受から噴出される気体の大気開放時流量が均一となるように流量調整が行われている。
【０００３】
例えば、図８及び図９に示すように、回転軸１０６の外径形状と、軸受部１０２の内径形状の一方が真円であれば、矢印で示すように回転軸１０６が回転して軸受部１０２との位相が変化しても、バランスがつりあった状態における軸受隙間１０５は同じである。このため、ハウジング部１０１の供給孔１０３から気体流路１０４に供給される加圧流体によって軸受部１０２に形成される気体膜の圧力分布による軸ぶれは生じない（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、図１０に示すように、機械加工精度には限界があるため、回転軸１０６の外径形状、軸受部１０２の内径形状は真円からの形状誤差を有している。そのため、回転軸１０６が回転し軸受部１０２との位相が変化すると、図１０（ａ）に示す軸受隙間１０５ａから、（ｂ）に示す受隙間１０５ｂへとわずかに変化してしまう。軸受隙間が変化すると、軸受部１０２に形成される気体膜の圧力分布が変化し、軸ぶれを生じる。
【０００５】
この問題を解決するために、静圧気体軸受から噴出される気体の流量を調節することにより、回転軸と軸受部の合致精度を向上させる手法が提案されている。
【０００６】
例えば、図１１に示す軸受隙間１０５ｃ、１０５ｄが均一となるように軸受部１０２から噴出される気体の流量を調節していた。軸受隙間の測定方法は、図１２（ａ）に示すように、軸受の片側半分の気体供給を遮断して、回転軸１０６を軸受部１０２の図示左側に押し付け、片側半分の気体供給を遮断する前からの回転軸１０６の変位量を測定することにより、軸受隙間１０５ｃを求める。続いて図１２（ｂ）に示すように、反対側半分の気体供給を遮断し、回転軸１０６を軸受部１０２の図示右側に押し付け、片側半分の気体供給を遮断する前からの回転軸１０６の変位量を測定し、軸受隙間１０５ｄを求めている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３９２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術のように軸受隙間を測定し、軸受隙間が均一になるように軸受部から噴出される気体の流量を調節する手法では、現在超精密加工機の主軸に求められているような、ナノメートルオーダーの回転精度を達成しようとする場合には不十分である。
【０００９】
前述のように、回転軸の外径形状と、軸受部の内径形状とを完全な真円に加工することは難しく、通常、回転軸の外径形状、軸受部の内径形状は形状誤差を有している。従来手法では、回転軸の外径形状と軸受部の内径形状の両方の形状誤差を含んだ軸受隙間を測定することとなり、軸受部に対する回転軸の位相が変化すると、軸受隙間の値が変動することになる。
【００１０】
従来求められていた数百ナノメートルオーダーの回転精度であれば、両者の形状誤差による軸受隙間の変動は軸受部に形成される気体膜の平均化効果により、問題とならない程度にまで打ち消されていた。しかし、回転精度としてナノメートルオーダーが求められる場合は、わずかな軸受隙間の変動も回転精度を劣化させる要因となる。
【００１１】
本発明は、従来技術では対応できなかったナノメートルオーダーの回転精度を達成することのできる静圧気体軸受を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の静圧気体軸受は、気体供給源より供給された加圧気体を多孔質体を透過させて噴出し、噴出した気体により形成される気体膜によって回転軸を回転支持する静圧気体軸受において、前記多孔質体の一断面における内径形状に内外接する２つの同心円の中心を中心とする基準円の半径と、前記内径形状との差分を求め、前記差分に基づいて、前記多孔質体の周方向における前記多孔質体から噴出される気体の流量を前記多孔質体の周方向に変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
軸受部を構成する多孔質体の内径形状に内接及び外接する２つの同心円の中心を中心とする内径変化に基づいて、噴出される気体の流量を調整することにより、軸受部に形成される気体膜の圧力分布を均一にする。
【００１４】
このように気体の流量を調整することで、軸受部の内径誤差が補正され、軸受部の内径形状が真円である場合と等価となり、回転軸が回転し軸受部との位相が変化しても、軸受隙間は一定の値を示す。その結果、回転軸を常に一定の力で回転支持することが可能となり、回転精度が大幅に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１（ａ）は、実施例１による静圧気体軸受を示す模式断面図である。ハウジング部１は、多孔質体である軸受部２を保持する。ハウジング部１には、図示しない気体供給源から供給される加圧気体の供給孔３と、軸受部２に加圧気体を供給するための気体流路４が形成されている。
【００１７】
図１（ｂ）に示すように、この静圧気体軸受の軸受部２の内径部（内面）を、一断面において、真円度測定器等の測定器にて計測し、内径形状８を求める。測定した内径形状８に内外接する最小径と最大径の２つの同心円９、１０を求め、同心円の中心を基準中心点１１と定義する。図２（ａ）には、基準中心点１１と軸受部２の内径部の円周上の各点との距離（内径）と、基準中心点１１を中心とする基準円５の半径である基準距離との差分を示す。図２（ａ）においては、前記基準距離として、測定した軸受部２の内径形状に接する最小径の同心円９の半径を採用したが、基準距離は任意に設定してよい。
【００１８】
従来一般的に行われているように、軸受から噴出される気体の大気開放時の流量を、軸受部２の周方向に一様となるように調節すると、図２（ｂ）に示すように、負荷容量が周方向に不均一となり、回転軸の軸ぶれを生じる。前記負荷容量とは、軸受が支持できる単位面積あたりの重量を指しており、圧力と同義である。
【００１９】
そこで、上記の方法で求めた基準中心点１１から軸受部２の内径部までの距離（内径）と基準距離の差分に基づいて、軸受部２の内径不均一を補償するように、軸受部２から噴出される気体の流量を調整する手段である目止めを施す。例えば、軸受部２の内径が前記基準距離より大きな場合は、噴出される気体の大気開放時流量が増加するように、前記基準距離より小さな場合は、前記流量が減少するように、軸受部２の多孔質材表面に施す目止め量を軸受部２の周方向に変化させる。
【００２０】
図２（ｃ）に、軸受部２の周方向に目止め量を調整した後の前記流量を示す。目止めとは、多孔質材表面にラッカー等を吹き付け、表面を目詰まりさせることで、気体の透過量を変化させる手段である。
【００２１】
このような流量調整を行うことにより、軸受部２の周方向に対して均一な負荷容量を得ることができる。
【００２２】
前記流量調整量は以下のように決定する。
【００２３】
静圧気体軸受の軸受隙間と負荷容量には図３に示すような関係がある。図３において、基準距離における軸受特性を軸受特性曲線ｗ１上の点ａとする。軸受部２の周方向におけるある一点において、軸受部内径の形状誤差により軸受隙間が変化し、軸受特性が図３に示す軸受特性曲線ｗ１上の点ｂとなったとする。点ｂでは負荷容量が小さくなるため、回転軸の支持バランスが崩れ、軸ぶれを生じてしまう。負荷容量を増加させるために、軸受部２の多孔質材表面に施す目止め量を減少させることで、前記流量を増加させると、図３に示す軸受特性曲線ｗ２を示す。点ａと同等の負荷容量を点ｂにおける軸受隙間で得るためには、点ｃを通過する軸受特性が必要である。この軸受特性をシミュレーションにより求め、点ａと同等の負荷容量を得ることができる前記流量値を算出する。
【００２４】
具体的な一例を大気開放時流量と負荷容量との関係を表した図４を用いて説明する。基準距離における軸受隙間が５μｍの場合の軸受特性ｇに対し、軸受部２の内径形状誤差により軸受隙間が６μｍに大きくなった場合の軸受特性ｈは負荷容量が小さくなってしまう。
【００２５】
このように軸受隙間が大きくなった場合において、軸受部２の多孔質材表面に施す目止め量を調整することで前記流量を変化させてゆくと、軸受特性曲線ｗ５を示す。そこで、基準距離における軸受特性ｇと同等の負荷容量を得るため、軸受特性ｉを示すように前記流量を求める。本実施例においては、前記流量を５７ｓｃｃｍ／ｃｍ２から９８ｓｃｃｍ／ｃｍ２に増加させることで、同等の負荷容量が得られる。
【００２６】
この流量調整を、軸受部２の周方向の各領域において実施する。周方向の各領域は周方向に等分割した領域であり、分割数は多いほうがよい。
【００２７】
軸受部２の内径形状に対応した流量調整を行うことで、軸受部２の内径形状誤差を含めた状態で、周方向の圧力分布を均一化することができ、回転精度を向上させることができる。
【実施例２】
【００２８】
図５は、実施例２による静圧気体軸受を示す模式断面図である。多孔質体である軸受部２を保持するハウジング部１には、複数の加圧気体の供給孔１２ａ〜１２ｆと、前記供給孔１２ａ〜１２ｆからそれぞれ軸受部２に加圧気体を供給するための複数の気体流路１３ａ〜１３ｆが形成されている。気体流路１３ａ〜１３ｆはそれぞれの内部を通過する気体が混合することのないように、独立して設けられ、軸受部２に供給される加圧気体の供給圧力を周方向に変化させるための手段を構成する。図５において、気体流路は周方向に６分割した構成となっているが、分割数は任意である。
【００２９】
実施例１と同様に、軸受部２の内径をある一断面において、真円度測定器等の測定器で計測し、内径形状を求める。測定した内径形状に接する最小径と最大径の２つの同心円を求め、同心円の中心を基準中心点と定義し、基準距離を設定する。
【００３０】
ここで、従来一般的に行われているように、軸受から噴出される気体の大気開放時の流量を、軸受部２の周方向に一様となるように調節すると、負荷容量が周方向に不均一となり、回転軸の軸ぶれを生じる。
【００３１】
そこで、軸受部２の内径が前記基準距離より大きな場合は、軸受部２より噴出される気体の大気開放時流量が増加するように、前記基準距離より小さな場合は、前記流量が減少するように、加圧気体の供給圧力を調整する。
【００３２】
以上のように流量調整を行うことにより、軸受部２の周方向に対して均一な負荷容量を得ることができる。
【００３３】
静圧気体軸受の軸受隙間と負荷容量には図６に示すような関係がある。図６において、基準距離における軸受特性を軸受特性曲線ｗ３上の点ｄとする。軸受部２の周方向におけるある一点において、軸受部内径の形状誤差により軸受隙間が変化し、軸受特性が図６に示す軸受特性曲線ｗ３上の点ｅとなったとする。点ｅでは負荷容量が小さくなるため回転軸の支持バランスが崩れ、軸ぶれを生じてしまう。負荷容量を増加させるために、軸受に供給する加圧気体の供給圧力を増加させることで、前記流量を増加させると、図６に示す軸受特性曲線ｗ４を示す。点ｄと同等の負荷容量を点ｅにおける軸受隙間で得るためには、点ｆを通過する軸受特性が必要である。この軸受特性をシミュレーションにより求め、点ｄと同等の負荷容量を得ることができる前記流量を算出する。
【００３４】
具体的な一例を大気開放時流量と負荷容量との関係を表した図７を用いて説明する。加圧気体の供給圧力を０．５ＭＰａ、基準距離における軸受隙間が５μｍである場合の軸受特性ｊに対し、軸受部２の内径形状誤差により軸受隙間が６μｍに大きくなった場合の軸受特性ｋは負荷容量が小さくなってしまう。軸受隙間が大きくなった場合において、前記供給圧力を調整することで前記流量を変化させてゆくと、軸受特性曲線ｗ６を示す。基準距離における軸受特性ｊと同等の負荷容量を得るため、軸受特性ｌを示すように前記流量を求める。本実施例においては、前記流量を５７ｓｃｃｍ／ｃｍ２から８２ｓｃｃｍ／ｃｍ２に増加させることで、と同等の負荷容量を得ることができる。
【００３５】
このような流量調整を、軸受部２の周方向のそれぞれの加圧気体の供給孔１２ａ〜１２ｆにおける加圧気体の供給圧力に対して実施する。
【００３６】
軸受部２の内径形状に対応した流量調整を行うことで、軸受部２の内径形状誤差を含めた状態で、周方向の圧力分布を均一化することができ、回転精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例１による静圧気体軸受を示すもので、（ａ）はその内部構成を示す模式断面図、（ｂ）は軸受部の内径誤差を求める方法を説明する図である。
【図２】軸受部の内径誤差に対して、負荷容量の変化、流量調整後の流量を説明するものであり、（ａ）は軸受部の内径形状差分、（ｂ）は負荷容量変化、（ｃ）は流量調整後の大気開放時流量を示すグラフである。
【図３】軸受隙間と負荷容量の関係を示すグラフである。
【図４】実施例１による流量調整を説明する図である。
【図５】実施例２による静圧気体軸受を示す模式断面図である。
【図６】軸受隙間と負荷容量の関係を示すグラフである。
【図７】実施例２による流量調整を説明する図である。
【図８】回転軸の外径形状が真円であった場合の軸受隙間を説明する図であり、（ａ）に対して（ｂ）は回転軸と軸受部の位相が変化した場合を示す。
【図９】軸受部内径形状が真円であった場合の軸受隙間を説明する図であり、（ａ）に対して（ｂ）は回転軸と軸受部の位相が変化した場合を示す。
【図１０】回転軸の外径形状及び軸受部の内径形状が真円ではなく、形状誤差を持つ場合に、軸受隙間が変化することを説明する図であり、（ａ）に対して（ｂ）は回転軸と軸受部の位相が変化した場合を示す。
【図１１】軸受隙間を説明する図である。
【図１２】軸受隙間の測定手法を説明する図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    ハウジング部
２    軸受部
３、１２ａ〜１２ｆ    供給孔
４、１３ａ〜１３ｆ    気体流路
【図１】
0005230256.tif 000002
【図２】
0005230256.tif 000003
【図３】
0005230256.tif 000004
【図４】
0005230256.tif 000005
【図５】
0005230256.tif 000006
【図６】
0005230256.tif 000007
【図７】
0005230256.tif 000008
【図８】
0005230256.tif 000009
【図９】
0005230256.tif 000010
【図１０】
0005230256.tif 000011
【図１１】
0005230256.tif 000012
【図１２】
0005230256.tif 000013